과학과 영성 시청자 여러분 안녕하세요 오늘은 캐나다 밴쿠버 브리티시 컬럼비아 대학교의 실험 물리학자인 특별 출연자 톰 티제 박사와의 지난주 토론을 계속합니다

지난 시간 우리는 자연에서 한번도 얻지 못한 성장하는 결정 층 구조의 환상적인 방법을 소개했습니다 이 발달은 높은 원소 정밀도에 맞춰 완성되었습니다 분자선 에피텍시나 짧게 줄여 ＭＢＥ라고 불립니다 전문적인 기계 안에서 높은 정밀도의 처리 제어에 의해 지원되는 초고진공에서 방출되는 원소 증발의 형태를 취합니다 특별 손님 티제 교수가 그의 연구실에 있는 그러한 장치를 소개시켜줍니다

티제 박사는 캐나다 밴쿠버 브리티쉬 콜롬비아 대학 (ＵＢＣ)에서 공동 직책을 맡고 있습니다 그는 물리학과 천문학부， 전기，컴퓨터 공학부의 교수입니다 그는ＵＢＣ에 있는 다학문 연구센터인 원자재 및 가공 공학 연구소 (ＡＭＰＥＬ)，ＭＢＥ 연구실도 감독합니다 티제 박사는 캐나다 왕립 협회와 미국 학술원의 특별회원입니다 그는ＢＣ 과학 이사회 금메달， ＵＢＣ 킬램 연구상， ＮＳＥＲＣ 스테이시 연구 장학금， 캐나다 물리학자 협회 헤르츠버그 메달을 수상했습니다

이것은 분자선 에픽택시 시스템으로 분자를 결정체 표면에 침전시키는데 사용합니다 물 속에 잠긴 방처럼 보이는 이유는 금속 개스킷으로 봉해져 있기 때문이죠 여기 나사가 박힌 테두리는 나머지 방에 구리 개스킷으로 매달려 있습니다 이것은 필수적인 아주 높은 진공 상태를 만들어 결정체에 이질적인 원자들이 포함되지 않도록 막습니다 여기 제 손에 있는 것은 우리가 키울 수 있는 단결정 기질입니다

에피텍시의 발달의 기본 원리는 깨끗한 표면 위의 원자가 결정체 격자 안에서 결합하기에 적합한 위치를 찾을 때까지 자유로이 움직인다는 것입니다 이 단순한 착상은 １９６８년 벨 연구소 알프레드 초와 존 아서의ＭＢＥ 발명으로 이어졌지만 ＭＢＥ로 높은 질의 결정층을 얻기까지는 １０년 간의 힘겨운 노력이 있었죠 물질 층의 다양함은 서로의 위에서 자라나기에 양자 저차원적 전자 체계와 작은 전자와 광학 장치를 가능케 합니다

분자선 에피텍시 이전에 우리는 양자우물，양자 와이어，양자점에 기초한 실질적인 장치에 대해서는 생각조차 못했습니다 그것에 대해서 설명해주시겠어요？

양자 우물을 언급하셨지요 양자 우물은 전자파장과 동일한 특성을 가진 얇은 층입니다 양자역학에 따르면 전자는 미립자일 뿐 아니라 파동입니다 그래서 만일 전자파장과 걸맞은 공진 구조장치를 설계할 수 있다면 쓸모 있는 흥미로운 성질을 얻을 수 있습니다
예를 들어 반도체 레이저는 거의 전적으로 빛의 방사를 늘리기 위해 오직 양자우물 구조로 만들어집니다 당신이 언급했던 양자점도 있지요 이것은 작은 섬이지만 직경을 가로질러 백 개의 원자가 있고 양자우물보다도 전자와 더 많이 공명합니다 이것은 현재 광학장치 양자점 안에 적용되기 직전에 있습니다 이 점들은 흥미롭습니다

만약 성장 조건을 올바르게 갖춘다면 표면에 자발적으로 형성되기 때문입니다 우리는 보통 분자선 에피텍시에서 원소는 표면을 가로질러 균일하게 분산할거라 생각합니다 하지만 어떤 성장 조건 아래서 그들은 무리를 지어 우리가 『양자 점』이라 부르는 작은 섬，작은 둔덕을 형성합니다

네，그것들은 표면 위의 주기적인 ２차원의 점입니다 그래서 기질 주기성을 감지할 수 있나요？ 인듐 비화물이나 인듐의 어떤 인듐의 혼합물을 생각하고 계시지요？

맞습니다 인듐 비화물 점의 경우에 원자들은 기질보다 약간 더 큽니다 그래서 기질과 정합하기 위해 그들은 더 압착돼야 합니다 그들은 압력 아래 있습니다 그래서 압력을 최소화하기 위해서는 균일하게 성장하기 보다는 작은 섬들을 형성합니다 이것이 점의 자연발생적인 형성의 이유입니다

사실 양자 점 레이저에 벌써 실행되었습니다

그렇습니다 양자 점 형성은 사람들이 소위 말하는 상향식 제작 과정의 예입니다 원자는 자발적으로 어떻게 조립하는지 계산합니다 원자가 자발적으로 이 아주 작은 섬을 형성할 수 있는 방식으로 물질 발달을 위한 조건을 정합니다 과거에 나노 구조를 만드는 통상적인 방법은 『하향식』이었습니다 하향식 방식에서는 얇은 층이나 부피가 있는 물질을 아주 작은 나노 크기의 패턴으로 자릅니다

하향식 제작 과정에서는 사진석판이라 불리는 것을 통해 작은 패턴을 만듭니다 사진석판술은 빛의 파장에 의해 ２０에서 ５０ 나노미터 정도로 한정되어 있습니다

하나의 나노미터= １０억 분의 １미터 이보다 더 작은 구조물을 만들기 위해서는 상향식의 접근이 보다 낫습니다 기본적으로 그것은 더 작은 구조를 만들어지게 합니다 상향식 접근은 생물학적 기관이 구조를 형성하는 방식이기에 흥미롭지요 그들은 그들 자신을 작은 분자 기계로 자가 조립합니다 그 구조는 자연에 의해서는 만들어진 적이 없으므로 완전한 원자공학입니다 자연은 원자와 이런 부피 있는 수정을 주고 우리는 그 위에 무엇을 키울 수 있는지 보는 겁니다

분자선 에피텍시의 좋은 점 중 하나는 연구할 수 있는 주기적인 표가 있다는 것입니다 자연에 존재하지 않지만 분자선 에피텍시로 만들 수 있는 구조 종류의 예로는 두 가지 물질 사이의 경계면입니다 조직을 서로 교류하면서 다른 물질 사이의 경계를 이루는 물질의 거의 대부분을 만들 수 있습니다 경계의 성질은 양이 많은 물질의 성질과는 약간 다를 수 있습니다 자연 어디에도 존재하지 않는 성질이 있습니다 그래서 많은 이들이 이러한 종류의 구조와 거기에 어떤 가능성이 있는지 이해하기 위해 열심히 노력하고 있습니다

우리는 구조에 대해서도 이야기했는데 분자선 에피텍시로 만들 수 있는 새로운 물질은 두 가지 종류로 분류할 수 있습니다 하나는 양자 점 같은 기하학적 구조의 새로운 종류입니다 우리가 만들 수 있는 또 다른 종류는 제가 언급한 경계면 물질 같은 새로운 물질을 만드는 것입니다 수정을 만드는 보통의 부피 방법으로는 만들 수 없는 두 가지 물질이지요

시청자들에게 어째서 학자들이 양자 점과 양자 와이어 같은 아주 작은 장치를 선호하는지 설명해주시겠어요？

이 분야를 연구하게끔 하는 것 중 하나는 미지의 것을 탐구하고자 하는 욕구라고 생각합니다 과학에서 우리는 미지의 것을 탐구할 때마다 예상치 못한 것을 발견합니다 이런 새로운 발견은 실질적인 응용으로 쉽게 이어집니다 실질적인 응용이 정확히 무엇이 될지는 모르지만 역사는 실질적으로 응용하게 될 것임을 가르칩니다 그리고 많은 이들은 이런 종류의 기술로 그들이 무엇을 할 수 있으며 어떤 문제를 해결할 수 있을지 구체적인 생각을 가지고 있지요

예를 들면 컴퓨터 산업의 관점에서 눈에 띄는 커다란 과제는 컴퓨터 가격을 낮추면서 어떻게 성능을 개선할 것인가의 문제입니다 이를 지속하기 위해 새로운 기술이 정말 필요합니다 원자 정밀도로 구조를 조립하는 것은 아주 작고 아주 능률적인 전자회로를 만들 때 필요한 것입니다

에피텍시나ＭＢＥ를 유기물에 사용할 가능성도 보이세요 아니면 비유기물 계의 고형 상태에만 대부분 해당될까요？

원소를 침전시키는 대신 분자나 유기물을 침전시키는 유기 분자선 애피텍시를 연구하는 사람들이 다수 있습니다 자연에서 자연적으로 생기는 조립 종류와 비교해볼 때 이것은 여전히 아주 원시적인 단계에 있습니다 하지만 분명히 연구계에서는 흥미로운 주제입니다 연구로 인한 실질적인 응용에 대해서는 아직 모르겠습니다

잠시 후 생물학 세포보다 더 작은 이 놀라운 장치의 응용에 대해 더 알아보겠습니다 잠시 뒤에 뵙지요 과학과 영성에 채널 고정해주세요 수프림 마스터 텔레비전 과학과 영성에 돌아오신 걸 환영합니다

과학자들이 과학적 미지를 탐구하고 동시에 능률적인 전자회로를 만들기 위하여 어떻게 １억 분의１미터 크기의 분자선 에피텍시로 나노 구조와 나노 장치를 형성하기 위한 원자의 정밀도를 조립하고 있었는지 논하고 있었습니다 과학적 관심사의 한 분야는 태양열 에너지로 작동하는 나노 크기 장치입니다 티제 박사에게 이 분야에서 ＭＢＥ의 역할을 물었습니다

이것의 응용과 그것에 에피텍시가 얼마나 유용할지 생각해보셨나요？

하나 흥미로운 착상은 핸드폰이나 라디오 수신기처럼 먼 수신기로부터 안테나로 전파를 잡는 것입니다 물리 법칙에 따르면 빛은 단지 짧은 파장의 전파입니다 그래서 이 착상은 예를 들어 빛을 단순한 열로써 흡수하기보다 더 능률적으로 빛을 모으는 안테나를 만들 수 있는가 지요 빛을 위해 안테나를 만들고 싶다면 그것은 나노 크기의 안테나가 되어야 합니다 이 착상은 태양열을 전환하는 새로운 방법으로 주목받습니다 하지만 이 방법의 난제는 우리가 만약 무선 전화기에 달린 전형적인 안테나처럼 금속 같은 전통적인 물질을 사용한다면 말이지요 그것은 언제나 구리 같은 전도체로 만들어진다는 겁니다

하지만 빛을 위한 안테나가 되도록 구리를 너무 작게 만들면 손실이 너무 많아 빛을 전기로 전환하는 비효율적인 방법이 됩니다 하지만 자연은 생물학적 분자의 사용이 손실이 적은 안테나를 만듦을 알아냈습니다 예를 들어 이것은 광합성에서 일어납니다 그래서 식물 같은 생물학적 기관은 빛을 모으는 저손실 안테나를 발달시켰지요 이것은 나노 크기의 장치이며 고도로 정교한 미세한 나노 기계입니다

그럼 우리는 기본적으로 자연이 식물에서 하는 일을 복제할 수 있겠군요 빛을 에너지원으로 흡수해서 유용한 장치를 만들기 위해 화학적이거나 기계적인 에너지로 바꾸는 거죠

그렇습니다 생물기관을 거꾸로 설계해서 예를 들어 우리가 사용할 수 있는 에너지를 비축한 전기나 특정한 종류의 화학제품을 생산하는데 더 다루기 쉬운 방식으로 재조립할 수 있습니다

그렇게 한다면 근본적으로 무료로 가질 수 있는데 태양열이 되겠군요

그렇습니다

적어도 앞으로 １０억년 동안은 에너지원 부족을 걱정하기 않아도 되겠네요

예

정말 굉장합니다

역사적으로 우리는 눈에 보이는 물건들을 제조해 왔습니다 지금은 원자 크기의 물건을 제조할 수 있는 분자선 에피텍시 같은 도구를 개발하는 단계에 있습니다 이 원자 크기로 제조된 상품들의 잠재력은 분명 거대합니다

티제 교수님 가르침을 주시는 대화를 나눠주셔서 대단히 감사합니다

감사합니다 이것을 이야기해서 매우 즐거웠습니다

분자선 에피텍시는 이미 원자 연구와 공학 계에서 상용되는 도구가 되었습니다 질이 우수한 ＭＢＥ결정 구조에서 과학자들은 새로운 발견을 할 수 있었지요 특히 대니얼 추이 호르스트 스퇴르머 로버트 러플린은 ＭＢＥ구조물에서 강한 자기장 안에서 함께 움직이는 전자는 전자 대전의 파편을 대전과 함께 새로운 종류의 『기초적인 미립자』를 형성한다는 것을 발견했습니다

이 대단한 업적으로 그들은 １９９８년 노벨 물리학상을 받았습니다 이것은 분자선 에피텍시가 과학자들을 미지의 연구로 이끌어주고 새로운 물리적 체계의 탐구로 이끌어준다는 증거입니다 이는 또한 신께서 주신 소중한 행성 위에서 우리의 일상 생활의 편의를 위한 새로운 실용적인 전자와 광학적 장치의 개발을 촉진합니다

매주 월요일에 하는 과학과 영성 많은 시청 바랍니다 이제 수프림 마스터 텔레비전의 건설적인 프로그램이 이어지니 채널 고정해주세요 주목할 뉴스와 지혜의 말씀이 이어집니다 축복받고 창조적인 주일 보내세요 다음에 또 봐요！